概念性水文模型初探

概念性水文模型与智能模型在中小河流洪水模拟中的比较研究王越;李巧玲;肖杨
【期刊名称】《水文》
【年(卷),期】2024(44)1
【摘要】相较于大江大河的流域水文预报研究,中小流域的研究相对匮乏。

以沅江河溪水文站以上流域为例,研究LSTM(Long Short-Term Memory)模型和新安江模型在场次洪水中的模拟效果。

通过对比,新安江模型的整体模拟精度较高,洪量、洪峰、峰现时间的平均相对误差分别为9.39%、9.55%、1.6h,确定性系数为0.73,综合合格率为100%,达到甲级精度标准;LSTM模型的模拟精度较低,洪量、洪峰、峰现时间的平均相对误差分别为11.76%、12.33%、2.3 h,确定性系数为0.60,综合合格率为75%,达到乙级精度标准。

结果表明,新安江模型和LSTM模型是中小河流洪水预报的有效方法,均可用于河溪流域的正式预报,且对于河溪流域,新安江模型的模拟精度比LSTM模型更高。

【总页数】6页(P44-49)
【作者】王越;李巧玲;肖杨
【作者单位】河海大学水文水资源学院;五凌电力有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】P338;TV124
【相关文献】
1.MIKE SHE 分布式水文模型在广东省中小河流洪水预报中的应用展望
2.HEC-HMS水文模型在流域洪水模拟中的应用r——以山西石楼县义牒河流域为例
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4.非线性时变增益模型在新疆喀什中小河流洪水模拟中的适用性研究
5.水文模型系统在峨嵋河流域洪水模拟中的应用
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水文模型的研究进展概述周祥 2014217890 给排水14-1班摘要:水文模型是人们认识水文循环过程,进行水文预报和水资源管理的重要工具和手段。

在水文预报和水资源管理事务中,针对具体的预报和决策目标,需要根据研究区本身特征、各类数据现状,选择符合实际需求的水文模型。

详细分析水文模型选择的必要性及其在水文建模及模型应用中的地位,在回顾水文模型选择研究现状基础上,总结水文模型选择的基本原则,并对各种水文模型选择方法进行分类,进而明确提出水文模型选择的概念,最后提出基于知识、水文模型特性及数据资料等相结合的综合水文模型智能选择框架,探讨水文模型选择的发展趋势。

关键词:水文模型;发展状况;研究现状1.水文模型概念水文模型是对自然界中复杂水文现象的近似模拟,是水文科学研究的一种手段和方法。

描述水文过程的模型,是一切与水文过程有关的过程模拟的基础。

从20世纪30年代Horton提出著名的下渗理论。

至今,在近一个世纪以来,各国水文学家在水文规律研究及水文过程模拟方面做了大量的研究工作,获得了丰硕的成果,也提出了众多的水文模型。

按模型的性质和建模技术,水文模型可分为:实体模型、类比模型和模拟模型。

其中,模拟模型是最常用的一类水文模型,也是各国学者着力研究的重点。

该类模型的特征是运用数学的语言和方式描述水文原型的主要特征关系和过程,因此也称为水文数学模型。

2.水文模型发展过程水文模型是水文学发展的产物,并伴随着水文学的发展而发展。

现代水文模型出现于应用水文学兴起的20世纪30年代],特别是Sherman提出水文单位线过程的概念和Horton提出下渗理论以后。

在50年代以前,水文模拟大多是针对某一个水文环节(如产流、汇流等)进行的。

进入50年代以后,随着人们对入渗理论、土壤水运动理论和河道理论等的综合认识,以及将计算机引入水文研究领域,开始把水文循环的整体过程作为一个完整的系统来研究,在50年代后期提出了“流域模型”的概念。

把含水层实际的边界性质、内部结构、渗透性能、水力特征和补给排泄等条件概化为便于进行数学与物理模拟的基本模式。

（1）透水边界Permeable boundary渗透性良好的含水层边界。

（2）隔水边界Confing boundary渗透性极差的含水层边界，即法向方向水力梯度（或流量）等于零的边界。

（3）弱透水边界Weakly-permeable boundary能通过一定流量的渗透性较弱的含水层边界。

（4）已知水位边界（一类边界）Boundary of known water level 已知外节点水位值的边界。

（5）已知流量边界（二类边界）Boundary of known flow已知地下水流入或流出量的边界。

（6）混合边界（三类边界）Mixed boundary由已知水位和已知流量边界共同组成的计算渗流场的边界。

（7）定水头边界Boundary of fixed water level水位数值不变的已知水位边界。

（8）定流量边界Boundary of fixed flow流量数值不变的已知流量边界。

1目的与任务（1）充分收集研究区以往各类地质、水文地质、地形地貌、气象、水文、钻孔、水资源开发利用等资料，进行系统的分析与研究，明确研究区的水文地质条件；（2）对研究区水文地质条件进行合理的概化，使概化模型达到即反映水文地质条件的实际情况，又能用先进的工具进行计算的目的，并最终提交概化的框图、平面图、剖面图及其文字说明。

2.模型概化原则（1）实用性地下水流模拟是一实用性很强的技术，解决现实问题是它的根本目的。

因此，建立的水文地质概念模型须与一定时期的科学技术水平以及研究区的水文地质调查研究程度相适应，能用于解决社会、经济发展中所面临的地下水模拟与管理问题。

（2）完整性概念模型必须尽可能真实全面地反映实体系统的内部结构与动态特征，专业人员既要到现场进行调查，又要广泛收集有关的各种信息，必要时还要补充部分现场调查（包括观测、试验等）工作，详细分析系统的输入、输出、状态演变、功能作用以及它与周围环境的相互作用关系等，以达到对于真实系统全面深入的掌握，保证模型在理论上的完整性，提高地下水流系统模拟的精度。

GWI-D8 水文地质概念模型概化导则中国地质调查局2004年11月1主题内容与适用范围1.1 本导则为中国地质调查局地质调查项目《全国地下水资源及其环境问题调查评价》（以下简称“项目”）专门制定。

1.2 本导则规定了建立概念模型所需要的资料、模型建立过程、概念模型的构成等原则要求。

1.3 本导则只适用于“项目”中水文地质模型的概化。

1.4 本导则可供其它有关调查评价工作参考。

2引用标准及规范14157-93 水文地质术语 GB/T15218-94 地下水资源分类分级标准 GB50027-2001 供水水文地质勘察规范 GB12719-91 矿区水文地质工程地质勘探规范 GB3术语与基本概念3.1 水文地质概念模型Conceptual hydrogeological model把含水层实际的边界性质、内部结构、渗透性能、水力特征和补给排泄等条件概化为便于进行数学与物理模拟的基本模式。

3.2 透水边界 Permeable boundary渗透性良好的含水层边界。

3.3 隔水边界 Confining boundary渗透性极差的含水层边界，即法向方向水力梯度（或流量）等于零的边界。

3.4 弱透水边界 Weakly-permeable boundary能通过一定流量的渗透性较弱的含水层边界。

3.5 已知水位边界（一类边界）Boundary of known water level已知外节点水位值的边界。

3.6 已知流量边界（二类边界）Boundary of known flow已知地下水流入或流出量的边界。

3.7 混合边界（三类边界） Mixed boundary由已知水位和已知流量边界共同组成的计算渗流场的边界。

3.8 定水头边界Boundary of fixed water level水位数值不变的已知水位边界。

3.9 定流量边界Boundary of fixed flow流量数值不变的已知流量边界。

水文地质概念模型Conceptual hydrogeological model把含水层实际的边界性质、内部结构、渗透性能、水力特征和补给排泄等条件概化为便于进行数学与物理模拟的基本模式。

（1）透水边界Permeable boundary渗透性良好的含水层边界。

（2）隔水边界Confining boundary渗透性极差的含水层边界，即法向方向水力梯度（或流量）等于零的边界。

（3）弱透水边界Weakly-permeable boundary能通过一定流量的渗透性较弱的含水层边界。

（4）已知水位边界（一类边界）Boundary of known water level已知外节点水位值的边界。

（5）已知流量边界（二类边界）Boundary of known flow已知地下水流入或流出量的边界。

（6）混合边界（三类边界）Mixed boundary由已知水位和已知流量边界共同组成的计算渗流场的边界。

（7）定水头边界Boundary of fixed water level水位数值不变的已知水位边界。

（8）定流量边界Boundary of fixed flow流量数值不变的已知流量边界。

1 目的与任务（1）充分收集研究区以往各类地质、水文地质、地形地貌、气象、水文、钻孔、水资源开发利用等资料，进行系统的分析与研究，明确研究区的水文地质条件；（2）对研究区水文地质条件进行合理的概化，使概化模型达到即反映水文地质条件的实际情况，又能用先进的工具进行计算的目的，并最终提交概化的框图、平面图、剖面图及其文字说明。

2.模型概化原则（1）实用性地下水流模拟是一实用性很强的技术，解决现实问题是它的根本目的。

因此，建立的水文地质概念模型须与一定时期的科学技术水平以及研究区的水文地质调查研究程度相适应，能用于解决社会、经济发展中所面临的地下水模拟与管理问题。

（2）完整性概念模型必须尽可能真实全面地反映实体系统的内部结构与动态特征，专业人员既要到现场进行调查，又要广泛收集有关的各种信息，必要时还要补充部分现场调查（包括观测、试验等）工作，详细分析系统的输入、输出、状态演变、功能作用以及它与周围环境的相互作用关系等，以达到对于真实系统全面深入的掌握，保证模型在理论上的完整性，提高地下水流系统模拟的精度。

基于统计理论方法的水文模型参数敏感性分析一、简述水文模型是理解和预测水资源系统的关键工具，其准确性和可靠性对水资源管理至关重要。

参数敏感性分析作为水文模型研究的重要方向之一，旨在揭示模型内部参数对模拟结果的影响程度。

通过评估参数的敏感性，研究者可以更有效地识别和管理模型中的不确定性和潜在风险，进而改进模型的性能和预测能力。

传统的敏感性分析方法，如敏感性指数法、分布敏感度法和全局敏感性指数法等，虽已在环境科学领域得到广泛应用，但这些方法往往依赖于特定的概率分布假设，这在实际应用中可能受到限制。

本文采用基于统计理论方法的随机森林（Random Forest，简称RF）来评估水文模型参数的敏感性。

随机森林是一种集成学习算法，通过构建多个决策树并综合它们的输出来提高模型的预测性能和稳定性。

与传统的敏感性分析方法相比，随机森林具有以下优势：它不依赖于特定的概率分布假设，而是基于数据本身的统计特性进行参数敏感性评估。

这使得随机森林在处理非正态分布或具有复杂相关性的数据时具有更强的适应性。

随机森林具有优秀的泛化能力，能够处理大量的输入变量和样本。

这使得它在处理具有高维特征值的水文模型参数时具有较高的精度和效率。

随机森林计算简单且易于并行化，因此在实际应用中具有较高的计算可扩展性。

本文选用基于统计理论方法的随机森林来评估水文模型参数的敏感性，以期获得更为准确和可靠的结果，为水资源系统的优化配置和管理提供科学依据。

1.1 研究背景随着全球气候变化和人类活动的不断影响，水资源的需求与供应面临越来越严重的挑战。

水文模型作为水资源管理和保护的基础工具，其准确性和可靠性对于决策者至关重要。

水文模型的准确性受到多种因素的影响，其中参数敏感性分析是一个关键问题。

参数敏感性分析可以帮助我们了解模型中各个参数对模型输出的贡献程度，从而指导模型的优化和改进。

传统的参数敏感性分析方法主要包括基于统计学的方法和基于代理模型的方法。

基于统计学的方法通常通过对模型输出进行相关性分析和回归分析来评估参数的影响，而基于代理模型的方法则是通过构建代理模型（如响应面模型或神经网络模型）来近似原模型的输出，并对代理模型进行敏感性分析。

水文地质概念模型水文地质概念模型Conceptual hydrogeological model把含水层实际的边界性质、内部结构、渗透性能、水力特征和补给排泄等条件概化为便于进行数学与物理模拟的基本模式。

（1）透水边界Permeable boundary渗透性良好的含水层边界。

（2）隔水边界Confining boundary渗透性极差的含水层边界，即法向方向水力梯度（或流量）等于零的边界。

（3）弱透水边界Weakly-permeable boundary 能通过一定流量的渗透性较弱的含水层边界。

（4）已知水位边界（一类边界）Boundary of known water level已知外节点水位值的边界。

（5）已知流量边界（二类边界）Boundary of known flow已知地下水流入或流出量的边界。

（6）混合边界（三类边界）Mixed boundary由已知水位和已知流量边界共同组成的计算渗流场的边界。

（7）定水头边界Boundary of fixed water level水位数值不变的已知水位边界。

（8）定流量边界Boundary of fixed flow流量数值不变的已知流量边界。

1 目的与任务（1）充分收集研究区以往各类地质、水文地质、地形地貌、气象、水文、钻孔、水资源开发利用等资料，进行系统的分析与研究，明确研究区的水文地质条件；（2）对研究区水文地质条件进行合理的概化，使概化模型达到即反映水文地质条件的实际情况，又能用先进的工具进行计算的目的，并最终提交概化的框图、平面图、剖面图及其文字说明。

2.模型概化原则（1）实用性地下水流模拟是一实用性很强的技术，解决现实问题是它的根本目的。

因此，建立的水文地质概念模型须与一定时期的科学技术水平以及研究区的水文地质调查研究程度相适应，能用于解决社会、经济发展中所面临的地下水模拟与管理问题。

（2）完整性概念模型必须尽可能真实全面地反映实体系统的内部结构与动态特征，专业人员既要到现场进行调查，又要广泛收集有关的各种信息，必要时还要补充部分现场调查（包括观测、试验等）工作，详细分析系统的输入、输出、状态演变、功能作用以及它与周围环境的相互作用关系等，以达到对于真实系统全面深入的掌握，保证模型在理论上的完整性，提高地下水流系统模拟的精度。

水文勘察在水文模型建立和预测中的应用水文模型建立和预测是水资源管理和水灾防控中非常重要的一项工作。

而水文勘察作为水文模型建立和预测的基础，起着不可或缺的作用。

本文将介绍水文勘察在水文模型建立和预测中的应用，并分析其重要性和挑战。

水文模型是一种数学模型，用于描述水文过程和预测水文变量。

通常，水文模型包括水文循环、地表径流和地下水流等各个环节，以模拟水文系统的水量变化。

而水文模型的准确性和稳定性，依赖于水文勘察所提供的观测数据。

水文勘察通过采集地表水、地下水、气象等数据，为水文模型的参数估计和校验提供了可靠的依据。

首先，水文勘察在水文模型建立中的应用主要包括参数估计和校验。

模型参数是水文模型中的关键要素，对水文过程的模拟和预测有重要影响。

水文勘察通过采集地表径流、雨量、蒸发等数据，利用统计方法或试验验证方法，对模型参数进行估计。

只有准确估计了参数，水文模型才能更好地模拟或预测水文过程。

而水文勘察所提供的观测数据，可以用于校验模型预测结果的准确性。

通过与观测数据的对比，可以确定模型是否符合实际情况，是否需要进行改进。

其次，水文勘察在水文模型预测中的应用主要体现在数据输入和预报验证两个方面。

水文模型的预测能力取决于输入的数据质量和可靠性，而水文勘察所提供的数据，包括雨量、蒸发、温度等，是预测模型的重要输入。

合理选择和利用这些数据，可以提高模型的预测准确性和可靠性。

同时，水文勘察也为模型预测结果提供了验证的依据。

水文勘察人员可以通过对比模型预测结果与实际观测数据的差异，评估模型的预测能力，并根据评估结果进行模型改进和优化。

水文勘察在水文模型建立和预测中的应用不仅对水资源管理和水灾防控具有重要意义，同时也面临一些挑战。

首先，水文勘察涉及到数据的采集和处理，需要投入大量的人力、物力和财力。

数据采集过程中存在不确定性和误差，需要通过科学方法进行校正和修正。

此外，水文勘察还需要有系统的观测网络和设备，以确保全面、连续和准确地采集数据。